ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЕМКОСТИ В ЧАСТОТУ ДЛЯ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ-АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
Аннотация
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) основаны на использовании микроме-
ханических компонентов, реализованных методами микроэлектронных технологий. Рас-
пространены МЭМС-гироскопы и акселерометры, которые из-за сложности совмещения
изготовления в одном технологическом процессе механического сенсора и системы обра-
ботки информации, преобразующей выходные сигналы сенсора в цифровой или аналоговый
сигнал, реализуются в виде этажерочной конструкции. Одной из причин распространения
данной конструкции является использование в устройствах обработки информации эле-
ментов аналоговой схемотехники, реализация которых в интегральном исполнении не спо-
собствует решению проблемы, к тому же, использование двух технологических маршру-
тов при изготовлении датчиков существенно увеличивает себестоимость последних.
Представлены результаты исследования цифрового преобразователя емкости в частоту,
технология которого совместима с технологией поверхностной микрообработки микро-
механических сенсоров в интегральном исполнении. Выходной информацией данного преоб-
разователя является частота цифрового сигнала, которую необходимо измерить и преоб-
разовать в двоичный код для последующей обработки. В качестве решения данной задачи
исследован маломощный цифровой частотомер, а также рассмотрена реализация цифро-
вого преобразователя и частотомера в качестве устройства первичной обработки ин-
формации гироскопов-акселерометров в среде кремниевой компиляции Microwind. Получена
зависимость значения частоты выходного сигнала преобразователя от емкости ;
частота изменялась в диапазоне 0-13,5 МГц при изменении емкости от 0 до 50 фФ. Полу-
чены зависимости диапазона измеряемой частоты частотомера от разрядности счетчи-
ка (1-10 разрядов), а также потребляемой мощности частотомера (18-60 мкВт) для час-
тот тактового генератора 0,25, 0,5 и 1 ГГц.
Литература
posobie [Microelectromechanical systems: tutorial]. Petrozavodsk: Izd-vo PetrGU, 2016, 171 p.
2. Shelepin N.A. Kremnievye mikrosensory i mikrosistemy: ot bytovoy tekhniki do aviatsionnykh
priborov [Silicon microsensors and microsystems: from household appliances to aviation devices],
Mikrosistemnaya tekhnika [Microsystem technology], 2000, No. 1, pp. 40-43.
3. Sicard E., Bendhia S.D. Basics of CMOS Cell Design. McGraw-Hill, 2007, 427 p.
4. Erişmiş M.A. Mems accelerometers and gyroscopes for inertial measurement units. Department
of Electrical and Electronics Engineering, 2004, 137 p.
5. Xie H. Gyroscope and micromirror design using vertical-axis CMOS-MEMS actuation and
sensing. Carnegie Mellon university, 2002, 246 p.
6. Elwenspoek M., Wiegerink R. Mechanical microsensors. Springer, 2001, 308 p.
7. Prokof'ev I.V., Tikhonov R.D. Nano- i mikrosistemy dlya monitoringa parametrov dvizheniya
transportnykh sredstv [Nano- and microsystems for monitoring parameters of the movement of
vehicles], Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystem technology], 2011,
No. 12, pp. 48-50.
8. Raspopov V.Ya. Mikromekhanicheskie pribory [Micromechanical devices]. Moscow:
Mashinostroenie, 2007, 400 p.
9. Ghodssi R., Lin P. MEMS Materials and Processes Handbook. Berlin: Springer, 2011, 1185 p.
10. MEMS-datchiki dvizheniya ot STMicroelectronics: akselerometry i giroskopy [MEMS motion
sensors from STMicroelectronics: accelerometers and gyroscopes], Vremya elektroniki [Electronics
time]. Available at: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/48456/
(accessed 28 February 2018).
11. MEMS market: 17.5% CAGR between 2018 and 2023. www.i-micronews.com. Available at:
https://www.i-micronews.com/mems-market-17-5-cagr-between-2018-and-2023/ (accessed 15
May 2019).
12. Akselerometr kompanii STMicroelectronics [Accelerometer from STMicroelectronics],
LIS344ALH, MEMS inertial sensor high performance 3-axis ±2/±6g ultracompact linear accelerometer,
STMicroelectronics. Available at: https://www.st.com/resource/en/datasheet/
lis344alh.pdf (accessed 25 November 2018).
13. Akselerometr kompanii STMicroelectronics [Accelerometer from STMicroelectronics], LIS3DSH,
MEMS digital output motion sensor: ultra-low-power high-performance three-axis "nano" accelerometer/
STMicroelectronics. Available at: https://www.st.com/resource/en/datasheet/
lis3dsh.pdf (accessed 25 November 2018).
14. Akselerometr kompanii Analog Devices [Accelerometer from Analog Devices], ADXL1003,
Low Noise, Wide Bandwidth, MEMS Accelerometer, Analog Devices. Available at:
https://www.analog.com/ru/products/adxl1003.html (accessed 25 November 2018).
15. Giroskop kompanii Analog Devices [Gyroscope from Analog Devices], ADXRS645, High
Temperature, Vibration Rejecting ±2000°/sec Gyroscope, Analog Devices. Available at:
https://www.analog.com/ru/products/adxrs645.html (accessed 25 November 2018).
16. Konoplev B.G., Ryndin E.A. Vysokochuvstvitel'nyy preobrazovatel' emkosti v chastotu [Highly
sensitive capacitor to frequency converter]. Patent RF No. 2602493, 01.09.2015.
17. Konoplev B.G., Popov A.O. tsifrovoy chastotomer dlya malomoshchnykh integral'nykh skhem
[Digital frequency meter for low-power integrated circuits]. Patent RF No. 187313,
01.03.2019.
18. Popov A.O., Sinyukin A.S. Design of Frequency Meter Unit for Low-Power Integrated Circuits,
International Journal of Research Studies in Electrical and Electronics Engineering
(IJRSEEE), 2017, No. 3.
19. Sicard E. Microwind & DSCH v3.5 – Lite User’s Manual. Toulouse, France: INSA Toulouse,
2009, 130 p.
20. Sicard E., Bendhia S.D. Advanced CMOS Cell Design. 2nd ed. McGraw-Hill, 2007, 364 p.
21. Nanotekhnologii v mikroelektronike [Nanotechnology in microelectronics], ed. by O.A.
Ageeva, B.G. Konopleva. Moscow: Nauka, 2019, 511 p.
